Wärmeübertrager

• Verdampfer (Kältemittel / Kaltwasser)
• Verflüssiger (Kältemittel / Kühlwasser)
• Sauggaswärmetauscher (Kältemittel / Kältemittel)
• Economiser (Kältemittel / Kältemittel)
• luftgekühlte Verflüssiger (Kältemittel / Luft)
• luftgekühlte Rückkühler und Freikühler (Kühlwasser / Luft)
• Direktverdampfer für Klimageräte (Kältemittel / Luft)
• Direktverflüssiger für Klimageräte (Kältemittel / Luft)

Nachfolgend ein kurzer Überblick* über die von Smardt OPK am häufigsten verwendeten Wärmeübertrager:

Verdampfer:
Plattenverdampfer, Rohrbündelverdampfer (trocken), Überfluteter Verdampfer (Rohrbündelverdampfer), Direktverdampfer
Verflüssiger:
Plattenverflüssiger, Rohrbündelverflüssiger, luftgekühlte Verflüssiger
Weitere Wärmeübertrager:
luftgekühlte Rückkühler (Glykol-Rückkühler), Unterschied Rückkühler – Verflüssiger, Sauggaswärmetauscher, Economiser (ECO), Dual-Verflüssiger
*) Für ausführliche und detaillierte Beschreibungen von Wärmeübertragungsvorgängen bitten wir, sich in der einschlägigen Fachliteratur zu informieren.

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Verdampfer Bauarten

Plattenverdampfer bestehen aus Edelstahlplatten, die mit Kupfer verlötet sind und ihre Bauart gehört zu den sog. trockenen Verdampfern (das Kältemittel verläßt den Verdampfer überhitzt und daher ohne Flüssigkeitsanteile ⇒ das Kältemittel ist “trocken”) Diese Verdampfer haben eine äußerst geringe Kältemittelfüllmenge und sind im Leistungsbereich zwischen 1 bis 500 kW verfügbar. Aufgrund ihrer sehr kompakten Bauweise werden Plattenverdampfer eingesetzt, wenn nur wenig Fläche für die Aufstellung von Flüssigkeitskühler und Kaltwassersätze zur Verfügung steht.
Besonders wichtig ist die Kältemittelverteileinrichtung innerhalb des Verdampfers, damit das Kältemittel gleichmäßig in die Verdampferkanäle einströmt und so eine gleichmäßige Verdampfung über die gesamte Fläche gewährleistet ist. Es werden ausschließlich elektronische Expansionsventile (EXV) mit Magnetantrieb verwendet, die eine sehr geringe Schließzeit (< 1s) aufweisen, um zu verhindern, daß beim Abschalten zu viel Kältemittel in den Verdampfer strömt. Expansionsventile mit Schrittmotor-Antrieb sind ungeeignet. Für Tiefkälteanlagen werden wegen der zunehmenden Viskosität bzw. Zähigkeit der zu verwendenden Kühlmedien ausschließlich Plattenverdampfer verwendet.
Plattenverdampfer sind mit zwei separaten Kältekreisläufen aber nur einem Wasserkreislauf verfügbar (Dual Verdampfer). Für Sonder-Kälteanlagen stehen verschweißte Apparate zur Verfügung, die zu 100% aus Edelstahl bestehen oder andere Sondermaterialien für besondere Kühlmedien. [↑ Übersicht]

Rohrbündelverdampfer mit trockener Verdampfung. Das Kältemittel wird die Kupferrohre des Rohrbündels eingespritzt, verdampft und überhitzt bevor es wieder austritt. Das Rohrbündel wird von einem Stahlmantel aus Druckbehälterstahl umschlossen, in dem das abzukühlenden Wasser oder Kühlmedium strömt. Der Leistungsbereich liegt zwischen 100 und 1.800 kW. Rohrbündelverdampfer mit trockener Verdampfung sind mit bis zu vier separaten Kältemittelkreisläufen und einen Wasserkreislauf verfügbar. Wie bei den Plattenverdampfern werden elektronische Expansionsventile mit geringer Schließzeit eingesetzt. Für diese Bauart ist eine Ausführung in Edelstahl oder anderen Sondermaterialien möglich. [↑ Übersicht]

Überflutete Verdampfer oder Rohrbündelverdampfer mit überfluteter Verdampfung. Bei dieser Bauart ist das Kältemittel im Mantel aus Druckbehälterstahl während das Wasser oder das Kühlmedium wird durch die Kupferrohre strömt. Das Rohrbündel (Kupferrohre) ist vollständig von flüssigem Kältemittel umgeben = überflutet. Die zwingend notwendige Überhitzung wird durch einen im Mantelraum oberhalb des flüssigen Kältemittels eingebauten Wärmeübertrager gewährleistet, durch den warmes, flüssiges Kältemittel, vom Verflüssiger kommend, geleitet wird und damit das kalte – soeben verdampfte – Kältemittel, überhitzt. Bei anderen Ausführungen werden die oberen Kupferrohre für die Überhitzung verwendet, die dann nicht vom flüssigen Kältemittel überflutet sind.
Die Kälteleistungen liegen zwischen ca. 150 bis über 6.000 kW. Diese Verdampfer sind mit zwei separaten Kältemittelkreisläufen erhältlich. Die Wasseranschlüsse sind anders als beim trockenen Rochbündelverdampfer immer an den Deckeln, die bei trockenen Verdampfern immer am Mantel. Sondermaterialien, wie Edelstahl oder Kupfer-Nickel-Legierungen (CuNi10Fe1Mn = “CuNi 90/10”), sind verfügbar. Überflutete Verdampfer optional mit Sonderanschluß für Wasser wie beispielsweise “Marine Water Box” möglich. [↑ Übersicht]

Direktverdampfer (Verdampferregister, Lamellenwärmetauscher für Direktverdampfung) für den Einbau in Lüftungs- / Klimageräte oder Kanaleinbau zur direkten Abkühlung von Luft oder anderen gasförmigen Medien. Das Kältemittel nimmt für den Verdampfungsvorgang aus der Luft oder einem anderen gasförmigen Medium Wärme auf und kühlt dadurch das Medium direkt, d.h. ohne Zwischenträgermedium wie z.B. Wasser oder Wasser / Frostschutzmittelgemische, ab. In Verbindung mit FU geregelten Verdichtern oder Heißgasbypaß-Regelung sind konstante Luftaustrittstemperaturen möglich. Bei Stufenschaltung von Verdichtern ist eine genaue Regelung nicht möglich. Bei Teillast mit ölgeschmierten Verdichtern ist auf die Ölrückführung zu achten, um Störungen zu vermeiden. Standard-Verdampfer bestehen aus Kupferrohren mit Aluminiumlamellen. Für Sonderanwendungen stehen andere Materialien, wie Edelstahl, zur Verfügung. [↑ Übersicht]

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Verflüssiger Bauarten

Plattenverflüssiger (Plattenkondensator) bestehen wie Plattenverdampfer aus Edelstahlplatten, die mit Kupfer verlötet sind. Diese Verflüssiger haben eine äußerst geringe Kältemittelfüllmenge und sind im Leistungsbereich zwischen 1 bis 1.000 kW verfügbar. Aufgrund ihrer sehr kompakten Bauweise werden Plattenverflüssiger eingesetzt, wenn für Flüssigkeitskühler und Kaltwassersätze nur wenig Fläche für die Aufstellung von zur Verfügung steht.
Plattenverflüssiger sind mit zwei separaten Kältekreisläufen aber nur einem Wasserkreislauf verfügbar (Dual Verflüssiger). Beim Einsatz von Plattenverflüssigern sind Kühlwasserregelventile mit sehr geringen Stellzeiten (≤ 40s) besonders wichtig, um Druck- und Temperaturschwankungen im Kältemittelkreislauf zu vermeiden. Für Sonder-Kälteanlagen stehen auch bei diesen Verflüssigern Sondermaterialien zur Auswahl. [↑ Übersicht]

Rohrbündelverflüssiger (Rohrbündelkondensatoren) bestehen aus Rohrbündeln aus Kupferrohren und einem Stahlmantel (Druckbehälterstahl). Das Wasser (Kühlwasser, Frostschutzmittelgemisch) strömt durch die Kupferrohre. Das Kältemittel (Druckgas, Heißgas vom Verdichter) wird von oben in den Mantelraum geleitet, wo es auf die kühlen Rohre trifft und kondensiert (flüssig wird). Der Leistungsbereich liegt zwischen 200 bis über 7.000 kW. Diese Verflüssiger sind mit zwei separaten Kältemittelkreisläufen verfügbar. Als Sonderbauform stehen Dual-Verflüssiger (Doppelkondensatoren) mit einem oder zwei Kältemittelkreisläufen sowie zwei separaten Wasseranschlüssen (z.B. für Kühlwasser mit Frostschutzmittel und WRG Heizwasser) zur Auswahl. Wie bei den Rohrbündelverdampfer kommen bei entsprechenden Anforderungen auch hier Sondermaterialien wie Edelstahl oder Kupfer-Nickel-Legierungen (CuNi10Fe1Mn = “CuNi 90/10”) wie z.B. für den Betrieb mit Seewasser bei Schiffskälteanlagen in der Marine oder für Rückkühlung mit Brunnen- oder Flußwasser (bei entsprechend schlechter Wasserqualität) zum Einsatz. [↑ Übersicht] 

Luftgekühlte Verflüssiger (Kondensatoren) für Flüssigkeitskühler und Kaltwassersätze, die entweder als externe Einheit entfernt von Verdampfer und Verdichter im Außenbereich, z.B. Gebäudedach, stehen (Split-System) oder als luftgekühlter Kompakt-Flüssigkeitskühler eine Einheit mit Verdampfer und Verdichter(n) bilden. Wie bei allen anderen Verflüssigerbauarten tritt das heiße Kältemittelgas in den Verflüssiger ein, wird zunächst enthitzt, kondensiert dann und tritt mit einer geringen Unterkühlung in flüssiger Form wieder aus. Es sind verschiedene Bauformen möglich, den sog. “Tischverflüssiger”, die sog. “kleinen” V-Verflüssiger (Höhe ca. 1,7m) und die “großen” V-Verflüssiger (Höhe bis ca. 3,0m), wie auf der Abbildung dargestellt sind. Für die Smardt OPK Thermosyphon Freikühlung werden ausschließlich die “kleinen” Verflüssiger mit geringem Kältemittel-Druckverlust verwendet. Die Verflüssiger kommen fast ausschließlich mit EC-Ventilatoren zum Einsatz. Für Ausführungen mit geringem Schalleistungspegel sind Aufsätze für die Ventilatoren (Luftdiffusoren, “AxiTop“) verfügbar. Alle Verflüssiger können, wenn die Register dafür durch Beschichtung u.ä. geeignet sind,  mit einer Wasser-Besprühung oder Sprühsystemen ausgerüstet werden (adiabate und hybride Verflüssiger). Neben der bewährten Ausführung mit Kupferrohren und Aluminiumlamellen gibt es auch Register aus Aluminiumprofilen, den “Microchannel” Wärmetauschern, die zwar eine geringe Kältemittelfüllmenge haben, aber z.T. deutlich höhere Druckverluste im Vergleich zu Kupferrohren auf der Kältemittelseite. Druckverluste im Kältemittelkreislauf erhöhen die Leistungsaufnahme der Verdichter und reduzieren daher die Effizienz von Kälteanlagen.  [↑ Übersicht]

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Luftgekühlte Rückkühler

Luftgekühlte Rückkühler sehen den luftgekühlten Verflüssigern rein äußerlich ähnlich, wie auf den Abbildungen zu erkennen ist. Rückkühler werden allerdings mit flüssigen Medien, in den allermeisten Fällen ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Ethylen- oder Propylenglykol) betrieben (Glykol-Rückkühler). Nur leerlaufenden Rückkühler werden mit Wasser betrieben, aber von uns nicht verwendet. Ein Wechsel des Aggregatzustandes findet, im Gegensatz zu Verflüssigern, nicht statt. Das Medium mit hoher Temperatur wird im Rückkühler durch die kühlere Ansaugtemperatur (Außenlufttemperatur) nur abgekühlt. Werden Rückkühler auch oder ausschließlich für Freie Kühlung eingesetzte, werden sie häufig als Freikühler bezeichnet. Auch für Rückkühler sind Systeme mit Wasser-Besprühung und Luftdiffusoren AxiTop zur Schallreduzierung verfügbar.
Vergleicht man luftgekühlte Rückkühler mit luftgekühlten Verflüssigern fällt auf, daß bei gleichen Leistungen und Schallwerten  die Verflüssiger kleiner sind (kleinere Wärmeübertragerfläche). Die Temperaturdifferenz zwischen Verflüssigungstemperatur und Lufteintrittstemperatur (Außenlufttemperatur) beträgt i.d.R. zwischen 12 und 17K und ist damit größer als bei Rückkühlern, deren Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasseraustritt und Lufttemperatur üblicherweise nur 5 bis 7K beträgt. Bei kleinerer Temperaturdifferenz muß jedoch für die gleiche Leistung die Fläche (Wärmetauscherfläche, Registerfläche) größer sein. [↑ Übersicht]

Unterschied Rückkühler – Verflüssiger

• Bei luftgekühlten Rückkühlern (Glykol-Rückkühlern) ist das flüssige Medium in den beiden gekennzeichneten Punkten (1) und (2) flüssig ⇒kein Wechsel des Aggregatzustandes – nur die Temperatur ändert sich. Das Medium wird abgekühlt.
• Luftgekühlten Verflüssiger (Kondensatoren) werden mit Kältemittel betrieben. Das Kältemittel hat in den beiden Punkten (1) und (2) einen unterschiedlichen Aggregatzustand. Es tritt in gasförmigem Zustand (Heißgas, Druckgas) in den Verflüssiger ein, wird zunächst gekühlt (enthitzt), kondensiert anschließend und tritt in flüssigem Zustand wieder aus dem Verflüssiger aus. [↑ Übersicht]

Sauggaswärmetauscher

Sauggaswärmetauscher (Wärmeübertrager zwischen Sauggas und Flüssigkeit) werden eingesetzt, um die Überhitzung des Kältemittels zu erhöhen, also die Temperatur des Sauggases nach dem Verdampfer und bevor es in den Verdichter eintritt. Die Energie hierfür stammt aus dem flüssigen Kältemittel nach dem Verflüssiger, das eine höhere Temperatur hat, als das Sauggas. Das flüssige Kältemittel wird bei diesem Vorgang weiter unterkühlt. Eine große Unterkühlung erhöht die Kälteleistung des Verdampfers und vergrößert dadurch die Leistungszahl EER einer Kälteanlage. Der Druckverlust des Kältemittels auf der Saugasseite sollte hierbei so gering wie technisch möglich sein. Übertragungsleistungen bis ca. 500 kW. Diese Wärmeübertrager bestehen aus Kupfer oder Edelstahl.  [↑ Übersicht]

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